Спиртове бродіння
Одним з найпоширеніших типів бродіння є спиртове. Особливо активними його збудниками є дріжджі, зокрема Saccharomyces cerevisiae, декілька видів бактерій (Sarcina ventriculi, Zymomonas mobilis, Erwinia amilovora). У невеликих кількостях етанол може нагромаджуватися в середовищах, що містять вуглеводи, у разі розвитку в них грибів родів Mucor і Fusarium. Сумарне рівняння зародження глюкози запропонував ще Гей-Люссак у 1815 р.:
С6Н12О6 → 2СН3-СН2ОН + 2СО2
Процес здійснюється гліколітичним (або ФДФ) шляхом. Перетворення пірувату в етанол відбувається за участю піруватдекарбоксилази з утворенням оцтового альдегіду як кінцевого акцептора водню і відновлення його НАД-залежною алкогольдегідрогеназою до етилового спирту. Отже, у процесі бродіння здійснюється поперемінне відновлення-окиснення НАД (рис. 1). Енергетичний вихід – 2 молекули АТФ.
Вивчаючи процес спиртового бродіння Л.Пастер встановив, що в умовах вільного доступу кисню процес спиртового бродіння інгібується та активується процес дихання. Це явище отримало назву ефект Пастера.
Рис. 1. Схема спиртового бродіння. Ферменти: 1 – піруватдекарбоксилаза; 2 – алкогольдегідрогеназа
В анаеробних умовах, сприятливих для процесу бродіння, ріст дріжджів незначний. Пояснюється цей факт недостатнім забезпеченням клітин АТФ, що необхідна для біосинтетичних процесів, а, отже, і для росту. При аерації бродіння пригнічується, починає активно функціонувати дихальний ланцюг, утворюється значна кількість АТФ (38 молів на 1 моль глюкози), активуються біосинтетичні процеси, зростає біомаса.
Оптимальні умови для спиртового бродіння – температура 20-280С, рН 4 – 5, концентрація спирту – 10-15%.
Вивчаючи механізм спиртового бродіння, Карл Нейберг (Neuberg) показав, що в залежності від умов культивування дріжджів, процес бродіння можна модифікувати. Якщо до дріжджів, що зброджують глюкозу, додати 3,5 % гідросульфіту натрію, то основним продуктом бродіння буде гліцерин. Гідросульфіт (бісульфіт) утворює комплекс з ацетальдегідом, і останній не може функціонувати як акцептор електронів.
OH
│
СН3-СОН + NaНSO3 → CH3-C-SO3Na
│
H
Електрони при цьому передаються з НАДН2 на диоксиацетонфосфат, який відновлюється до 3-фосфогліцерину і дефосфорилюється з утворенням гліцерину.
СН2О – Ф СН2О – Ф СН2ОН
│ НАДН2 НАД │ │
С ═ О ─────────→ Н-С-ОН ─────→ СНОН
│ │ Ф │
СН2ОН СН2ОН СН2ОН
диоксиацетофосфат 3-фосфогліцерин гліцерин
(літерою Ф позначена фосфатна група)
Утворення гліцерину можна досягти, якщо проводити бродіння в лужному середовищі (рН ≈8), однак крім гліцерину буде утворюватись оцтова кислота, етанол, СО2.
BOX
|
Завдяки відкриттю К.Нейберга під час Першої Світової Війни Німеччина виробляла 1000 тон гліцерину на місяць, який був необхідний для отримання нітрогліцерину. До війни Німеччина імпортувала гліцерин, але цей імпорт був зупинений британською блокадою з моря. Однак, в мирні часи отримання гліцерину за допомогою S. cerevisiae стало економічно не вигідним і було припинено. В наші часи гліцерин виробляють, використовуючи галофільні водорості Dunaliella salina, в яких значне накопичення внутрішньоклітинного гліцерину забезпечує баланс між внутрішнім та зовнішнім осмотичним тиском внаслідок високої концентрації солі в оточуючому середовищі. |
Інший метаболічний шлях утворення етанолу простежується у Zymomonas mobilis, виділеної з соку агави. Z. mobilis розкладає глюкозу КДФГ-шляхом, а піруват розщеплює за допомогою піруватдекарбоксилази на ацетальдегід і СО2. Ацетальдегід відновлюється до етанолу. Продуктами бродіння є етанол, СО2 і невелика кількість молочної кислоти. Z. mobilis використовують у Мексиці для одержання національної горілки «пульке».
Sarcina ventriculi – єдина з досліджених бактерій, для якої описаний типовий для дріжджів шлях утворення етанолу (ФДФ-шлях, піруватдекарбоксилазна реакція).
Процес спиртового бродіння лежить в основі виробництва етилового спирту, вина, пива, а також хліба. Сировиною для виробництва спирту є вуглеводи рослинного походження – картопля, злаки, відходи цукрового виробництва (меляса) і целюлозно-паперової промисловості. Зброджування дріжджами виноградного соку лежить в основі виноробства; зброджування пивного сусла (з пророслих зерен ячменю) спеціальними пивними дріжджами – в основі пивоваріння.